Joseph Silk Das fast unendliche Universum Grenzfragen der Kosmologie

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1 Unverkäufliche Leseprobe Joseph Silk Das fast unendliche Universum Grenzfragen der Kosmologie Aus dem Englischen von Thomas Filk 288 Seiten, Gebunden ISBN: Verlag C.H.Beck ohg, München

2 1 Einleitung Zwei Dinge sind unendlich das Universum und die menschliche Dummheit, aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher. Albert Einstein Die Vergangenheit! Die unendliche Ausdehnung der Vergangenheit! Was ist die Gegenwart denn anderes als aus der Vergangenheit erwachsen. Walt Whitman Das Unendliche muss etwas Relatives sein. Wie weit man auch geht, ein unendlicher Raum lässt immer noch beliebig viel unentdeckt. Man gelangt nie ans Ende. Könnte so unser Universum sein? Die Vorstellung von einem unendlichen Universum hat die Meinungen gespalten. Für manche ist eine solche Vorstellung erschreckend. Die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung intelligenten Lebens mag beliebig klein sein, aber sie ist nicht Null. Immerhin ist es einmal passiert! In einem unendlichen Universum gäbe es in jedem Fall Kopien von uns. Irgendwo gäbe es sogar identische Kopien von uns, die jede unserer Handlungen und jedes Wort wiederholen. Eine schwer akzeptierbare Vorstellung. Doch das ist kaum ein überzeugender wissenschaftlicher Grund, ein unendliches Universum abzutun. Tatsächlich steht die moderne Astronomie auf dem Standpunkt, dass ein unendliches Universum mehr als nur ein metaphysisches Konzept sein könnte. Vielleicht muss das Universum sogar unendlich sein, wenn die Physik Recht hat. Doch wenn es tatsächlich unendlich wäre, könnten wir dies jemals mit Sicherheit wissen? Ich werde argumentieren, dass es Möglichkeiten gibt, sowohl ein sehr großes, aber endliches als auch ein im Prinzip unendliches Universum zu erkunden. Wäre das Universum «topologisch klein» d.h. sehr groß, aber mit einem endlichen Volumen, dann könnten sich in der fossilen Strahlung, die ein Überrest des Big Bang ist, Hinweise darauf finden lassen. Demgegenüber wäre die Erkundung und die Bestätigung eines unendlichen Universums vergleichbar mit Sciencefiction-Reisen eine Zukunftsvision, aber doch im Bereich der Physik.

3 8 Einleitung Mit Sicherheit ist unser Universum sehr, sehr groß. Selbst wenn es nicht unendlich sein sollte, ist es mit großer Wahrscheinlichkeit wesentlich größer als der entfernteste Horizont, der für die größten Teleskope auf unserer Welt noch sichtbar ist. In jedem Fall ist das Universum nahezu unendlich. In diesem Buch möchte ich beschreiben, wie die Astronomen zu dieser Schlussfolgerung gelangt sind, und wie das Konzept eines sehr großen aber endlichen Universums experimentell überprüfbar ist.

4 2 Perspektiven Säuberte man die Tore der Wahrnehmung, sähen wir alles so, wie es ist unendlich. William Blake Wir liegen alle in der Gosse, aber einige von uns blicken auf die Sterne. Oscar Wilde Die Menschheit ist ein Staubkorn im Auge des Universums. Als besondere Gattung gibt es den Menschen erst seit einem tausendstel des Alters des Universums. Die Zerbrechlichkeit des Lebens lässt für die Zukunft nichts Gutes ahnen. Der kleinste kosmische Zusammenstoß zwischen der Erde und einem umherwandernden Asteroiden könnte auf der Erde leicht jede Spur von Leben auslöschen. Bisher haben wir überlebt über Milliarden von Jahren. Kein schlechtes Ergebnis, das jedoch unmittelbar einige schwierige Fragen aufwirft. Auf welchen verschlungenen Wegen kamen wir hierher? Als Kosmologe beginne ich so nahe am Anfang unseres Universums, wie es die Theorie erlaubt. Doch welche Theorie ich auch immer vertreten werde, sie alle haben ihren Startpunkt. Unsere heutigen Kenntnisse der Physik tragen uns nicht weiter zurück. Vor diesem kosmischen Augenblick verflüchtigen sich unsere physikalischen oder chemischen Gesetze wie Rauchschwaden. Das Meiste ist Spekulation, bei den Theologen und Philosophen ebenso wie bei den Astrophysikern. Am Anfang war das Reich der Theologie. Doch es gibt auch das Reich der Philosophie und der Kosmologie. Sie alle beleuchten den Anfang des Universums aus sehr unterschiedlichen Perspektiven. Ein Philosoph könnte sagen: «Okay, wenn es einen Anfang gab, dann gab es auch etwas vor diesem Anfang. Ansonsten wäre der Begriff des Anfangs sinnlos.» Der Wissenschaftler (oder Theologe) könnte sagen: «Alles was davor liegt, ist per definitionem keine Wissenschaft (Theologie).» Die neue Kosmologie beginnt mit dem Augenblick, als noch nichts da war oder zumindest fast nichts, sodass der Unterschied kaum noch eine Rolle spielt. Es gab keine Form von Materie. Es gab Raum, aber er war leer. Es gab noch keine Zeit. Der Augenblick, den wir als den Anfang bezeichnen, könnte sich also tatsächlich sehr lange

5 10 Perspektiven hingezogen haben, lange genug, damit sich sehr seltsame Dinge ereignen konnten wie die scheinbare Verletzung der Massen- und Energieerhaltung. Wir lernen in der Schule, dass die Energie erhalten bleibt. Doch die Quantentheorie erlaubt es uns, Energie zu «borgen», solange wir sie zurückzahlen, bevor der Diebstahl bemerkt wird. Unsere Vorstellungen vom Anfang des Universums beruhen einerseits auf der Theorie der fundamentalsten Eigenschaften der Materie, andererseits auf astronomischen Beobachtungen von den entferntesten Bereichen des Universums. Die Kunst der Kosmologie Worüber ich berichten werde, das lehren wir unsere Physikstudenten im dritten oder vierten Studienjahr Ich möchte Sie davon abhalten sich abzuwenden, nur weil Sie die Sache nicht verstehen. Meine Physikstudenten verstehen die Sache ebenfalls nicht weil ich sie nicht verstehe. Niemand versteht es. Richard Feynman Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Universum: seiner Struktur, seinem Anfang, seinem Schicksal. Der Grundstein der modernen Kosmologie ist die Theorie vom Urknall, oder Big Bang. Doch wie viel davon beruht auf reiner Spekulation, und was sind die Tatsachen? Ich werde aufzählen, was wir wirklich über die Big-Bang-Theorie wissen. Dazu gehören solche Dinge wie die Evolution des Universums auf großen Skalen: angefangen mit der Entstehung von Materie bis hin zu Geburt und Tod ganzer Galaxien von Sternen. Die schwierigen Fragen herauszuarbeiten ist der erste Schritt auf dem Weg zu den Antworten. Ist das Wissen einmal vorhanden, können wir uns den grundlegenden Fragen zu unserem Universum zuwenden. Auch wenn wir die endgültigen Antworten noch nicht kennen, können wir viel auf diesem Weg lernen. Galaxien sind sehr weit von uns entfernt. Ihr Licht war Millionen Jahre unterwegs, und wenn wir sie beobachten, schauen wir in die Vergangenheit. Die Erforschung der Vergangenheit hat unsere Vorstellungen schon immer zutiefst beeinflusst. Mitte des siebzehnten Jahrhun-

6 Die Kunst der Kosmologie 11 derts kam der irische Erzbischof James Ussher zu der erstaunlichen Einsicht, dass Gott Himmel und Erde am 22. Oktober 4004 v. Chr. um 8 Uhr Abends erschaffen hat! Der englische Bibelgelehrte Dr. John Lightfoot korrigierte dieses Ergebnis später etwas: Er datierte die Erschaffung Adams auf den 23. Oktober 4004 v. Chr., 9 Uhr morgens. Will ein Geologe die Vergangenheit erkunden, so gräbt er in die Tiefe. Die ältesten Steine auf der Erde sind ungefähr drei Milliarden Jahre alt. Es wurden sogar noch ältere, nicht-terrestrische Steinbrocken gefunden, so genannte Meteoriten. Die ältesten Steine in unserem Sonnensystem sind ungefähr 4,6 Milliarden Jahre alt. Doch der Kosmologe braucht nur hinaus in den Weltraum zu schauen, um noch weiter in die Vergangenheit zu gelangen. Das Zentrum unserer Milchstraße ist von uns ungefähr Lichtjahre entfernt. Der noch mit bloßem Auge sichtbare Andromeda-Nebel, unser nächster Nachbar vergleichbarer Größe, hat eine Entfernung von zwei Millionen Lichtjahren. Wir sehen ihn heute zu einer Zeit, als auf der Erde das Zeitalter der Menschheit begann. Zu den entferntesten uns bekannten Galaxien beträgt die Entfernung mehr als zehn Milliarden Lichtjahre. Ihr Licht stammt aus einer Zeit, lange bevor sich die Sonne und das Sonnensystem gebildet hatten, ja sogar vor der Entstehung unserer Galaxie. Das Universum ist riesig. Aber es ist nicht so riesig, dass wir seinen Ursprung und seine Entwicklung nicht verstehen könnten. Mit den heutigen Teleskopen können wir die Schöpfung beobachten, und der Big Bang ist unsere moderne, wissenschaftliche Schöpfungsgeschichte. Er ersetzt Zeus und Thor, Adam und Eva. Anders jedoch als es bei den Mythen der Fall ist, beruht die wissenschaftliche Entstehungsgeschichte auf Tatsachen. Es sind zwar nicht ganz die Tatsachen, die wir unmittelbar mit unseren Händen greifen können, doch es handelt sich um Tatsachen, die sich durch ein Teleskop beobachten lassen.

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